Layout Tipps & Tricks - von Entwicklern für Entwickler

Die Kunststoffgehäuse von Bauteilen (oftmals bei BGAs, QFPs, sowie bei LEDs) können hygroskopisch wirken. Das bedeuted, Feuchtigkeit wird angezogen und im Bauteilinneren angereichert. Diese Bauteile sind vom Hersteller gekennzeichnet und in acht Feuchtigkeitsklassen (Moisture Sensivity Level = MSL) eingeteilt. Dementsprechend muss auf die Lagerung und auf das Handling geachtet werden. Je höher der MSL-Wert, desto höher sind Aufwand und Anforderungen im Produktionsprozess und damit auch die Kosten.

Hinweis:

• Prüfen Sie, ob es alternative Bauteile mit geringerem MSL-Wert gibt, um Produktionskosten zu sparen.
• Prüfen Sie mit Ihrem EMS-Dienstleister frühzeitig, ob Equipment zum Einschweißen, Lagern und Trocknen der Bauteile vorhanden sind.

Weitere Auskünfte erteilt gerne das Team von Ginzinger electronic systems.

Bauteile sollen nicht unnötig eng zueinander auf einer Leiterplatte plaziert werden. Der vorhandene Platz soll gleichmäßig ausgenützt werden. Zu eng platzierte Bauelemente können bei der automatischen, optischen Inspektion zu Pseudofehlern führen und den Produktionsprozess unnötig verzögern. Pseudofehler sind vermeintlich festgestellte Fehler in der Produktion und ziehen einen erhöhten Aufwand nach sich. Hohe Bauteile können niedrige Bauteile im AOI-Prozess abschatten, das stört das optische Messverfahren.

Bei Baugruppen mit einer Kombination aus vielen kleinen und sehr großen Bauteilen ist es schwierig, die richtige Menge an Lötpaste mit nur einer Schablonendicke auf alle Bereiche der Leiterplatte zu übertragen. Dasselbe gilt bei der Verwendung von THR-Bauteilen. Für diesen Zweck werden Stufenschablonen eingesetzt.

Der Einsatz von Stufenschablonen muss bereits im Layout der Leiterplatte berücksichtigt werden. Es müssen Mindestabstände zwischen einzelnen Öffnungen vorgesehen werden, um eine saubere Verarbeitung zu gewährleisten. Werden diese Eigenschaften nicht berücksichtigt, kann es zu Lötfehlern, Kurzschlüssen oder Lötperlen führen.

HINWEIS: Stufenschablonen können bei Verwendung vieler kleiner und sehr großer Bauteile eingesetzt werden. Wenn der maximale Abstand zwischen Pin und Aufsetzebene (Koplanarität) größer ist als die Schablonendicke, empfiehlt sich ebenfalls der Einsatz einer Stufenschablone.

Die Anbindung von Pads an Leiterbahnen soll, sofern elektrisch oder thermisch nicht zwingend notwendig, keinesfalls vollflächig bzw. über breite Leiterbahnen erfolgen.

Dies kann einerseits zu einer "mageren" Lötstelle, andererseits durch verstärkte Wärmeabfuhr (Wärmesenke) zu fehlerhaften Lötstellen (Tombstoning) führen. Kritisch kann dies insbesondere bei BGAs sein, da deren Lötstellen nur durch Röntgenanalysen kontrolliert und festgestellt werden können.

HINWEIS: Je kleiner das Bauteil, umso kritischer sind diese negativen Effekte.

Bohrungen in Leiterplatten können folgende Aufgaben haben:

• Durchkontaktierungen (Vias) sind elektrische Verbindungen zwischen unterschiedlichen Lagen.
• Durchkontaktierungen zur Verlötung von THT- oder THR-Bauteilen
• Befestigungsbohrungen
• Bohrungen für Durchführungen

Die Durchmesser der Bohrlöcher sollen vereinheitlicht werden. So wird weniger Zeit für einen Werkzeugwechsel benötigt. D.h. für alle Vias soll möglichst nur ein Durchmesser gewählt werden. Auch Befestigungslöcher sollten einen einheitlichen Durchmesser haben.

Befestigungsbohrungen

Leiterplatten können durch leitende oder isolierende Befestigungspunkte in einem Gehäuse fixiert werden. Um Beschädigungen, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse zu vermeiden, sollen Abstände und Toleranzen berücksichtigt werden. Werden Befestigungspunkte als elektrische Verbindung genutzt, so ist zu beachten, dass die Verbindung der Leiterbahn mit der Kontaktfläche außerhalb des Schraubkopfs oder der Unterlagscheibe liegt, um ein Durchtrennen der Verbindung beim Einschrauben zu vermeiden.

Sperrzonen für Befestigungsbohrungen

Rund um Befestigungsbohrungen sollen Sperrzonen definiert werden, in die keine Bauteile, Anschlüsse oder Pads reichen dürfen.

Passermarken (engl. fiducials) dienen auf elektrischen Leiterplatten als optische Referenzpunkte für automatisierte Fertigungsverfahren. Die Passermarken werden optisch erfasst. Je nach Anforderung werden mehrere Passermarken auf der Oberfläche der Leiterplatte platziert, um die hohen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Zur guten Erkennbarkeit sollte eine Passermarke folgende Eigenschaften haben:

• Kupferscheibe Durchmesser etwa ein Millimeter
• Ring mit Innendurchmesser von 2 Millimeter
• Lötstopplackfreistellung mit 4 Millimeter Durchmesser

Drei Passermarken sollen auf jeder zu bestückenden Leiterplattenseite vorhanden sein. Die Marken sollen diagonal in maximaler Entfernung auf der Leiterplattenseite platziert werden. Die Passermarken müssen derart posititioniert werden, dass die automatische Unterscheidung zwischen TOP- und BOT Seite möglich ist.

Vor allem bei beidseitig SMT-bestückten Leiterplatten ist auf das Gewicht der Bauteile zu achten, um kosten für zusätzlich notwendige Prozessschritte zu vermeiden. Ausschlaggebend ist das Bauteilgewicht je Bauteilanschlussfläche. Sehr schwere Bauteile, die das Bauteilgrenzgewicht überschreiten, können im SMT-Prozess nicht im ersten Lötvorgang verarbeitet werden. Es besteht die Gefahr des Abfallens beim zweiten Lötvorgang über Kopf. Alle schweren Bauteile sollen einheitlich nur auf einer Leiterplattenseite (TOP oder BOT) platziert werden.

Kriterien zur Identifikation von schweren SMT-Bauteilen sind:

• Bauteilhöhe > 4 mm
• RM > 1,27 mm
• Körpervolumen > 50 mm3/Anschluss
• Stark asymmetrische Pins oder Gehäuse

Eine Annäherung bietet auch die Formel: max. Bauteilgewicht < L*b*0,05*n

L = Länge des Bauteilanschlusses (Minimalwert)
b = Breite des Bauteilanschlusses (Minimalwert)
0,05 = Bauteilgewicht 0,05 g/mm2
n = Anzahl der Anschlüsse

Hinweis: Falls das Grenzgewicht nicht eingehalten werden kann, können schwere Bauteile vor dem Lötprozess verklebt werden. Hierfür wird ein Kleberdispenser verwendet. Weitere Auskünfte erteilt gerne das Team von Ginzinger electronic systems.

Statistisch gesehen lassen sich 64% der Produktionsfehler in einer SMT-Produktion auf einen fehlerhaften Pastendruck zurückführen. Diesem Bereich muss daher besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Das Drucken der Lötpaste muss voll automatisiert ablaufen, um Fehler durch manuelle Eingriffe zu verhindern. Hohe Druckgeschwindigkeit reduziert Maschinenzeiten und Kosten.

Pastendaten sollen vom Leiterplattendesigner in einer eigenen Lage in der Gerberdatei hinterlegt werden. Auf diesen werden die Daten zur Produktion der Schablone generiert. Der EMS-Dienstleister kann auf Basis weiterer Informationen und Erfahrung passende Vergrößerungen oder Verkleinerungen einzelner Öffnungen in der Schablone vorsehen.

Rakel aus Edelstahl oder Kunststoff streifen die Lötpaste über die Druckschablone. Die Lötpaste wird dabei durch die Schablonenöffnungen gedrückt und verbleibt an den gewünschten Stellen der Leiterplatte. Überschüssige Paste wird mittels Rakel von der Schablonenoberfläche abgestreift.

In modernen SMT-Produktionslinien vermisst ein 3D-Solder-Paste-Inspektion (SPI)-System nach dem Pastendruck das gedruckte Volumen der Lötpaste über die gesamte Leiterplattenfläche. Fehlerhafte Bedruckung kann daher in diesem Prozessschritt sofort korrigiert werden.

Der Bestückungsdruck hilft beim Messen und der Fehlersuche auf elektronischen Baugruppen. Auch die richtige Ausrichtung von Bauelementen kann durch eine Markierung mittels Bestückungsdruck (Pin 1) einfach kontrolliert werden. Aufgrund der immer weiter voranschreitenden Miniaturisierung sollte jedoch überlegt werden, ob ein solcher Bestückungsdruck noch sinnvoll ist. Alle freien Kupferflächen (Pads, Vias) werden vom Leiterplattenhersteller freigestellt. So werden schlecht positionierte Drucke schnell unleserlich.

Der Umfang des Bestückungsdruck sollte minimal sein, genau festgelegt werden und man soll sich überlegen, ob dieser wirklich notwendig ist. Zu beachten ist, dass die Pastenschablone beim Bestückungsdruck nicht plan auf der Leiterplatte aufliegen kann und die Gefahr besteht, dass kein sauberes Lötdepot gedruckt werden kann. Unter Bauteilen soll zur Gänze auf Bestückungsdruck verzichtet werden.

Maßnahmen für die abschließenden Tests und Inbetriebnahme der elektronischen Flachbaugruppen nach dem Produktionsprozess sollten von Anfang an im Design mitberücksichtigt werden.

• Fangbohrungen für die Leiterplatte vorsehen (asymmetrisch, typ. 3,2 mm, nicht durchkontaktiert und nicht verzinnt.) Sperrzonen berücksichtigen!
• Testpunkte in jedem elektrischen Knoten; Durchkontaktierungen können als Testpunkte verwendet werden, sofern sie> 0,8mm Pad-Durchmesser haben und nicht abgedeckt sind.
• Abstand der Testpunkte zueinander und zum Leiterplattenrand > =2,54 mm; In Ausnahmefällen und nach Absprache kann der Anbstand auf bis zu 1,27 mm verkleinert werden. Dies führt zu höheren Kosten im Testequipment.
• Testpunkte sollen gleichmäßig auf der Leiterplatte platziert werden, um die Kräfte durch Kontaktnadeln ausgewogen zu verteilen.
• Bei Versorgungsspannungsnetzen sollen mehrere Testpunkte platziert werden. Diese sollten auf die Leiterplatte verteilt oder am Anfang und am Ende des Leiterbahnzuges positioniert sein.
• Testpunkte sollen vorzugsweise nur auf der bauteilfreien Seite oder der Seite mit den niedrigsten Bauteilen angeordnet werden.
• Bei messtechnisch kritischen Bauteilen (niedrigohmige Shunts) soll eine Vierleitermessung vorgesehen werden.
• Bauteile, welche über einen Enable-Eingang verfügen, sollten im Design über einen Pullup/Pulldown auf "high" bzw. "low" geschaltet werden. Somit besteht beim Test die Möglichkeit diese zu deaktivieren.
• SMD- und THR-Lötstellen dürfen nicht als Testpunkte verwendet werden, da diese durch Flussmittelrückstände verunreinigt sein können. Eine Kontaktierung ist dann nicht möglich.
• Es wird ein Testpunktdurchmesser von 1mm, jedoch min. 0,8 mm empfohlen.

Das Lot (oder Lötzinn) wird zum Verbinden von Metallen durch Löten verwendet. Das Lot besteht aus einer Legierung unterschiedlicher Metalle. Der Schmelzpunkt des Lotes liegt niedriger als der der zu verbindenden Werkstücke. In vielen Loten war früher Blei enthalten. Seit 2007 dürfen diese Lote in der EU gemäß der RoHS-Richtlinie nur noch in Ausnahmefällen verwendet werden.

Das Lot für das Reflow-Löten wird in Pastenform aufgetragen. Die Paste besteht aus kleinen Zinnkugeln und Flussmittel. Die Lötpaste ist in unterschiedlicher Körnung erhältlich. Wenn elektronische Baugruppen unterschiedliche Lötprozesse durchlaufen (Reflow-, Wellen- und Handlöten), soll eine Abstimmung der dabei eingesetzten Lote erfolgen, damit keine ungewünschten metallurgischen Effekte auftreten.

Nachhaltig zu entwickeln kann die Gesamtkosten eines Produkts über den kompletten Lebenszyklus reduzieren.

• Selbst wenn für eine Produktgruppe Ausnahmen von der RoHS-Richtlinie existieren, kann es langfristig günstiger sein, RoHS-konform zu entwickeln und so Entsorgungskosten zu sparen.
• Gibt es Bauelemente mit niedrigerem Energieverbrauch und besserer Leistungsbilanz?
• Können kleinere Gehäusetypen mit weniger Materialverbrauch verwendet werden?
• Werden alle vorgesehehen Bauelemente benötigt und effizient genützt?
• Können einzelne Funktionen eventuell von der Hardware in die Software verlagert werden?
• Werden RoHS- und REACH-Richtlinien eingehalten?
• Gibt es für einzelne Materialien und Werkstoffe umweltfreundlichere Alternativen?